冻干机控制系统的工作原理

1.冻干机是药品冷冻干燥的重要工艺设备，确保药品在无菌条件下完成冷冻干燥。药用冻干机在控制要求与工作效率比一般冻干机要求高，而且自动控制越要求也高。药用冻干机的控制系统总体要求如下：


 

① 根据制定好的冻干时序控制真空系统的真空泵、制冷系统的压缩机、加热系统的加热电源或加热介质的循环泵、液压系统的泵和测量系统的各种仪表的电源等，使各系统完成协调运行。
 

② 在冻干机运行时，能显示冷阱、药品与隔板等温度数据。
 

③ 根据冻干机的冻干工艺曲线实现数据输入、显示和输出。
 

④ 利用变频器有效的控制电机转速，实现真空系统、制冷系统的优化控。
 

⑤ 对冻干设备出现的紧急事故报警，同时实现自动防护措施。
 

冻干机的控制系统是冻干机的指导中心。系统根据运行程序控制制冷系统、真空系统、加热系统、制冷机、真空泵的启停、加热温度、物料温度、冷阱温度、真空度等。通过控制系统的测量数据与冻干工艺参数，了实现对冻干机高性能控制，提高冻干产品的质量。

2 冻干机控制系统方案分析

 

一套完整的冻干控制系统主要由加热系统、制冷系统、真空系统和仪表自动控制系统四大部分组成。冻干机这四大系统完全在计算机的控制和监控之下，除药品的前处理不在监控范围，其他冻干过程，都由控制系统完成操作。首先药品在干燥箱内被冷却冻结，溶剂（通常是水）被冻结成冰晶体，药物散布在这一晶体结构中，在维持冻结状态的条件下，用抽真空的方法降低制品周围的压力，当它低于该温度下水的饱和蒸气压时，冰直接升华成为气体。当冰全部升华后，需将制品的温度逐步升高，以除去产品表面残余的吸附水，这一过程需持续进行，直至冻干剂的水分含量减少到规定的指标要求。
 

冻干机控制系统应该具备以下功能：

⑴ 能有效地调节各设备的运行，按设定的程序运行。
 

⑵ 按制定的冻干时序，采集、显示和输出真空度、温度等参数数据。
 

⑶ 根据冻干机的运行数据，调节冷冻干燥过程的运行。
 

⑷ 存取一段时间内的温度、压力等参数，可以随时调出历史曲线、数据报表等。
 

⑸ 对运行设备发生的故障进行报警与处理。
 

⑹ 保证设备安全运行，实现对产品质量和设备运行的保护，同时能实现自动和手动控制切换。
 

控制系统可以由一个固定于机组架上的电器柜和一个可移动的带 PC 机及打印机的微机操作台。在电器柜里装有 12 寸触摸屏，西门子 PLC，电路空气开关，变压器，交流接触器，记录仪，固态继电器等控制元件。这套控制系统是专门为药用冻干机系统而设计，它能进行全自动的冷冻干燥操作和控制，包括进舱、预冻，加热，抽真空，压塞，放气，CIP和 SIP 等过程的实现[4]。计算机监控系统可以实时的显示整个系统的运行状态，设备上的任何一个阀，泵及指示灯都可以在计算机的系统流程图上动态显示。

3. 冻干机控制系统的方案设计 

大多数冻干设备厂采用 PLC 或单片机等来控制冻干机的运行，结合计算机技术和继电器技术。利用 PID 控制算法、模糊控制算法等控制算法实现温度、压力参数的精确控制[27]。
 

由于控制方式的不同，控制效果和控制精度也会不同，但是上面提到的一些控制方法仍存在一定的局限性。
 

⑴ 集散控制操作比较复杂，操作界面也繁琐，这些对操作员的熟练掌握程度要求很高；
 

⑵ 采用继电器控制会复杂化控制系统结构，从而会增加故障出险率，同时不便于维修；
 

⑶ 常规的 PID 控制算法或模糊控制算法，很难对温度、压力等参数进行高精度控制。
 

若温度、压力等参数的控制精度不高，会严重影响整个冻干工艺、冻干产品的质量。本文针对药用冻干机的系统要求来实现控制设计，采用“PLC 作下位机+PC（计算机）作上位机（力控监控组态软件）”+模糊预测 PID 控制算法的方法，使整个系统进行优化控制。为了更好的优化冻干机系统，在真空系统与制冷系统中分别采用变频器与 PLC 结合进行优化控制，通过变频器控制真空机组、压缩机、电机等的转速。冻干机的温度控制主要用 PLC 进行控制，同时引入模糊预测 PID 控制算法，确保干燥箱中的温度稳定控制在设定范围内。实验运行情况表明，经过优化的控制系统，具有控制精度高、稳定强、实时性强等优点，在实际工程中也能实现。在上位机上采用力控（ForceControl6.1）组态软件开发冻干机监控系统，让整个控制系统更直观化。